變壓器鐵芯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究可行性報(bào)告

電力變壓器是電力系統(tǒng)中最重要的電氣設(shè)備，運(yùn)行中一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重的后果。正常運(yùn)行的變壓器鐵芯一點(diǎn)接地，如果有兩點(diǎn)或者兩點(diǎn)以上同時(shí)接地，則鐵芯與大地之間將形成電流回路，最大電流可以達(dá)到幾十安培，將會(huì)造成鐵芯過熱，甚至燒毀。目前判斷變壓器鐵芯是否存在多點(diǎn)接地，主要有三種方法：鉗形電流表定期監(jiān)鐵芯接地電流的電氣方法，測(cè)量鐵芯對(duì)地絕緣電阻法，監(jiān)測(cè)變壓器絕緣油特征氣體的氣相色譜分析法。以上方法存在的不足是不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵芯多點(diǎn)接地故障，一旦發(fā)生故障，也不能及時(shí)采取相應(yīng)措施。因此，對(duì)變壓器鐵芯接地電流的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)是十分必要的。

目前，現(xiàn)場(chǎng)人員多采用鉗形電流表夾住鐵芯接地線來監(jiān)測(cè)其電流，但由于變壓器強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，測(cè)量值很不精確，甚至出現(xiàn)同一測(cè)量點(diǎn)幾次測(cè)量值差別迥異的情況，這樣測(cè)量的參考價(jià)值值得懷疑;而國內(nèi)有些單位研制的自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置雖能及時(shí)發(fā)現(xiàn)多點(diǎn)接地故障，但缺乏故障后的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。為此，設(shè)計(jì)了一種基于GSM通訊的在線監(jiān)測(cè)裝置，較好地解決了變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)的問題。為了解決正常狀態(tài)下接地電流很小，受到的現(xiàn)場(chǎng)干擾卻比較嚴(yán)重的問題。

1.1目的

大型電力變壓器鐵芯電流的變化可直接反映出變壓器的故障狀態(tài)——是否存在鐵芯多點(diǎn)接地。以往的監(jiān)測(cè)方式是由變電站值班人員使用手持儀器定期進(jìn)行檢測(cè)和記錄，該方式的最大缺點(diǎn)是不能立即對(duì)故障做出反應(yīng)，存在使事故進(jìn)一步擴(kuò)大的嚴(yán)重隱患。隨著電力自動(dòng)化水平的提高和無人值守變電站的增多，迫切需要一種穩(wěn)定可靠、精度高、功能強(qiáng)的大型電力變壓器鐵芯電流在線監(jiān)測(cè)裝置。本文所描述的裝置，就是為此而設(shè)計(jì)的，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

1.2今后的發(fā)展

目前國家正在發(fā)展智能化電網(wǎng)，而變壓器鐵芯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是構(gòu)成智能化電網(wǎng)中比較重要的組成部分，國外早在八十年代就已經(jīng)開始實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器鐵芯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究并實(shí)現(xiàn)無人化變電站，可以節(jié)省大量的人力物力，并能夠及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)變壓器鐵芯接地點(diǎn)情況，并通過一系列的數(shù)據(jù)可以分析變壓器是否存在多點(diǎn)接地的危險(xiǎn)，更好的保證變壓器設(shè)備的正常運(yùn)行。目前國家在安全規(guī)程中已提出變壓器鐵芯在線監(jiān)測(cè)的要求，在以后五年內(nèi)將全部實(shí)現(xiàn)變壓器鐵芯在線監(jiān)測(cè)的部署。國外科技工作者和有關(guān)部門對(duì)這種定期維修和預(yù)防性試驗(yàn)的不足之處早有認(rèn)識(shí)，已紛紛致力于電氣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)和狀態(tài)檢修研究。它的優(yōu)點(diǎn)在于可及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期故障征兆，使運(yùn)行維護(hù)人員在故障處于萌芽狀態(tài)時(shí)能夠通過檢測(cè)手段及早消除隱患，從而避免惡性事故的發(fā)生，提高了維修質(zhì)量和效率。隨著傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，作為狀態(tài)檢修基礎(chǔ)的電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，已成為絕緣檢測(cè)中的一個(gè)重要組成部分，它將在很多方面彌補(bǔ)僅依靠定期預(yù)防性試驗(yàn)帶來的不足之處。通過對(duì)鐵芯接地電流的在線監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確判斷鐵芯的工作狀況，從而有的放矢在鐵芯出現(xiàn)故障前及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，不僅有效的提高了供電的可靠性，還降低了電力系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)保障電力變壓器的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。

1.3成果的應(yīng)用及推廣

1.3.1解決了停運(yùn)檢修使電力部門付出巨大的人力，物力代價(jià)，不僅給電能用戶帶來不便，還存在著維修過剩的問題。

1.3.2解決了兩次預(yù)防性試驗(yàn)之間的間隔時(shí)間較長，對(duì)于突發(fā)性絕緣故障難以發(fā)現(xiàn)，存在維修不足的問題。

1.3.3解決了試驗(yàn)條件和運(yùn)行條件的差別，有些離線試驗(yàn)不能完全反映設(shè)備在運(yùn)行條件下的絕緣狀況。

1.3.4解決了大修和停電試驗(yàn)時(shí)人為造成新的設(shè)備故障現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。

2目標(biāo)

為了滿足電力系統(tǒng)對(duì)變壓器鐵芯狀態(tài)檢修的需要，提出了變壓器鐵芯多點(diǎn)接地在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下功能：2.1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的投入和使用不改變，不影響變壓器的正常運(yùn)行;2.2能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)、記錄和處理數(shù)據(jù)、及時(shí)報(bào)警和故障診斷;2.3具有良好的抗干擾能力和合理的監(jiān)測(cè)靈敏度;2.4系統(tǒng)本身可靠性高，易于維護(hù)，適于長期運(yùn)行;2.5能夠有效管理數(shù)據(jù)，人機(jī)界面良好。

3內(nèi)容

基于以上考慮，需要完成以下幾個(gè)方面的研究和工作：

3.1鐵芯接地電流理論分析

根據(jù)變壓器鐵芯實(shí)際結(jié)構(gòu)，建立合適的鐵芯數(shù)學(xué)模型，計(jì)算鐵芯一點(diǎn)接地電流及多點(diǎn)接地故障電流值，并分析隨故障點(diǎn)不同故障電流的變化規(guī)律，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論支持。

3.2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)鐵芯接地在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)包括電流傳感器、濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及控制在內(nèi)的數(shù)據(jù)采集電路，為接地電流信號(hào)的監(jiān)測(cè)和提取搭建一個(gè)硬件平臺(tái)。

3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

編程實(shí)現(xiàn)基于RS232串口的上下位機(jī)通信，使上位機(jī)能夠控制下位機(jī)運(yùn)行并能夠收到下位機(jī)采集的鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立接地電流在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢等功能，并采用LabVIEW開發(fā)一套變壓器鐵芯接地電流分析軟件。

3.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由泄漏電流傳感器、數(shù)據(jù)采集柜、就地顯示儀表、串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、路由器和系統(tǒng)服務(wù)器組成：

串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器提供TCP/UDP socket工作模式，包括服務(wù)端和客戶端,支持狀態(tài)監(jiān)測(cè)和Web發(fā)布。每臺(tái)串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器有4個(gè)RS-485口，可以使每臺(tái)串口設(shè)備單獨(dú)占用一個(gè)串口，以減少不同串口設(shè)備并起來的干擾。數(shù)據(jù)采集柜可采集變壓器或者電抗器的鐵芯和夾件泄漏電流并通過串口與聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器相連。

遠(yuǎn)程顯示：本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊能夠?qū)崟r(shí)的采集變壓器等電氣設(shè)備的泄露電流參數(shù)，并能夠通過RS-485傳送到串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，再傳送到電力局域網(wǎng)，串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器具有自連接功能，即便系統(tǒng)斷電，當(dāng)電源恢復(fù)時(shí)串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器也能夠自動(dòng)連到局域網(wǎng)中。

本地顯示： 本地顯示儀表能夠?qū)崟r(shí)顯示變壓器等電氣設(shè)備的泄露電流參數(shù)，并具有聲音報(bào)警功能。

3.5工作流程

變壓器和電抗器的鐵芯及其夾持件在繞組的電場(chǎng)作用下，其上面各部位會(huì)形成不同的電位或電荷積累，這些電位和電荷達(dá)到一定程度就會(huì)放電，對(duì)變壓器的運(yùn)行構(gòu)成威脅。為消除這一放電現(xiàn)象，必須將鐵芯和夾件可靠接地，使其在變壓器運(yùn)行中始終保持接地電位。如果一點(diǎn)以上的多點(diǎn)接地，將會(huì)在鐵芯內(nèi)形成短接回路，短接回路所包括面積中的磁通或漏磁通將會(huì)在回響內(nèi)產(chǎn)生很大的一流，而且接點(diǎn)越多，短接回路越多，環(huán)流越大。環(huán)流的存在將燒毀接地片和產(chǎn)生放電甚至燒毀鐵芯，因此鐵芯和夾件必須一點(diǎn)接地。型變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程介紹如下：

在變壓器鐵芯、電抗器的鐵芯和夾件的接地排上安裝泄漏電流傳感器，監(jiān)測(cè)鐵芯和夾件的泄漏電流，變壓器現(xiàn)場(chǎng)安裝數(shù)據(jù)采集柜并和串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器之間通過RS485電纜連接，串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器經(jīng)由路由器最終和服務(wù)器監(jiān)測(cè)終端連接。

數(shù)據(jù)采集柜，將泄漏電流傳感器采集到的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并在數(shù)字顯示儀表上顯示出來。同時(shí)通過RS485電纜將數(shù)字信號(hào)傳遞到串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，通過串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器和路由器最終到監(jiān)控中心的服務(wù)器實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

后臺(tái)管理軟件接收記錄所有數(shù)據(jù)，并且提供報(bào)警，歷史數(shù)據(jù)查詢，趨勢(shì)分析，報(bào)表打印等多種功能。

該項(xiàng)目運(yùn)行一段時(shí)間之后，通過趨勢(shì)分析，可以看出變壓器鐵芯接地狀況，發(fā)現(xiàn)一些潛在的設(shè)備故障情況，為電氣設(shè)備維護(hù)人員提供檢修依據(jù)。

3.6系統(tǒng)特點(diǎn)

泄露電流傳感器采用夾緊銅排的固定方式不破壞原系統(tǒng)任何結(jié)構(gòu)，金屬模具的采用大大減少了外部磁場(chǎng)對(duì)泄露電流采集精度的影響。

泄露電流傳感器采用有源零磁通設(shè)計(jì)原理，不僅能夠滿足mA級(jí)電流信號(hào)的采集，而且具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

數(shù)據(jù)采集裝置的模擬量輸入芯片采用16位高精度分辨率，采樣速率達(dá)10Hz，隔離電壓3000VDC。

泄露電流的報(bào)警值可以由用戶靈活設(shè)置。系統(tǒng)在就地不僅有總的聲音報(bào)警，而且每一個(gè)鐵心或夾件都有單獨(dú)的繼電器報(bào)警輸出到變電站的集控中心。

系統(tǒng)采用穩(wěn)定、可靠的串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器將變電站的變壓器、電抗器等電氣設(shè)備的鐵心與夾件電流數(shù)據(jù)在電力局域網(wǎng)中共享。

系統(tǒng)采用就地與遠(yuǎn)程同時(shí)顯示的模式，就地采用高精度的數(shù)字表顯示，遠(yuǎn)程顯示通過軟件的web發(fā)布功能使電力局域網(wǎng)內(nèi)有權(quán)限的相關(guān)人員都可以訪問。

軟件設(shè)計(jì)采用方便靈活的電力版組態(tài)軟件，使軟件具有非常強(qiáng)大的功能。

報(bào)表打印功能可以實(shí)時(shí)打印各電流數(shù)據(jù)，日?qǐng)?bào)表功能為每天的顯示電流數(shù)據(jù)存一個(gè)報(bào)表。

系統(tǒng)具備當(dāng)前報(bào)警狀態(tài)與歷史報(bào)警狀態(tài)的顯示功能，分別顯示當(dāng)前的報(bào)警情況，歷史的報(bào)警情況。